Свое название серый чугун получил за счет графитовых вкраплений, которые придают материалу характерный оттенок в месте излома. Он проявляет исключительные литейные характеристики, которые обуславливают повсеместное применение металлов в машиностроении. Отливки, выполненные из такого сплава, характеризуются устойчивостью к износу, плотностью и прочностью.
Любые стальные сплавы гораздо дороже чугунных. Это объясняется весьма дорогой и технологически сложной спецификой производства. Именно поэтому чугун нашёл своё применение в областях, где допускается экономия на бюджетной составляющей.
В зависимости от микроструктуры металла выделяют пять основных разновидностей чугуна — белый, серый, ковкий, особой прочности, а также половинчатый. Базовым критерием для классификации является форма графита в микроструктуре кристаллической решетки.
Наиболее хрупким считается белый сплав, поскольку вместо частичек графита в нём содержится ледебурит.
Группа сплавов, носящих наименование «серые», включают также и несколько ковких разновидностей. Это вносит заметную путаницу в определение сути терминологии.
Поэтому для упрощения принято использовать типовые стандарты.
В соответствии с ними серый чугун — это металлический сплав, состоящий из железа, графита и некоторых других примесей, которые включают для придания тех или иных эксплуатационных свойств и легирования.
Таким образом, серый чугун, по своей сути, представляет собой обычный сплав железа и углерода, который в случае охлаждения металлической базы формуется в форме пластинчатообразных либо хлопьевидных включений. Присутствие углерода вызывает снижение прочности с одновременным повышением пластичности. Этот элемент оптимизирует литейные характеристики металла и способствует графитизации.
Концентрация углерода в сером чугуне варьируется в диапазоне от 2,4 до 3,8%. Если доля углерода будет меньше — он в полном объеме растворится в металле, в то время как повышенная дозировка вызовет утрату упругости и жесткости.
Дозировка кремния варьируется от 1,3 до 2,6%. Кремний считается неотъемлемым участником процесса графитизации, способствует снижению вязкости и повышению твердости металла.
Однако, если концентрация кремния будет превышать 3%, это может вызвать понижение параметров пластичности.
Влияние углерода и кремния на технико-физические параметры чугуна рассматривается в единой совокупности с учётом их суммарной концентрации в структуре.
Содержание серы в таком сплаве не превышает 0,13-0,16%. Она присутствует в виде сульфида железа, вызывает снижение уровня пластичности и твердости чугуна.
При закреплении на кристаллах сера ухудшает механические параметры чугуна, повышает усадку и придает ему «красноломкость» — то есть свойство растрескиваться при термическом воздействии.
Чтобы нивелировать вредное влияние серы, в химический состав вводят марганец — он запускает реакции, приводящие к формированию карбидов железа. В зависимости от доли серы изменяется и количество используемого марганца, как правило, его концентрация изменяется от 0,4 до 1,2%.
Содержание фосфорного компонента не выше 0,5-0,6%. Этот элемент в сером чугуне содержится в виде фосфидной эвтектики, что в целом повышает стойкость материала к износу.
В то же время элемент вызывает хрупкость материала и повышение жидкотекучести. В машиностроительных отливках его концентрация не должна быть выше 0,2%.
В зависимости от марки чугунного сплава в его фазовый состав может включаться и ряд других элементов.
Никель выступает в качестве легирующего структурного элемента, обеспечивает выравнивание механических характеристик в отливках, вызывает повышение твердости, стойкости к ржавчине и улучшает параметры обрабатываемости.
- Хром — стимулирует образование карбида, придает сплаву прочность и жесткость.
- Олово — обеспечивает равномерное перераспределение твёрдости по всему материалу.
- Молибден и никель — отвечают за сопротивляемость окислительным процессам.
- Медь — ведет к ускорению графитизации, улучшает параметры обрабатываемости чугуна, повышает стойкость к появлению ржавчины и упругость.
- Сурьма — содержится в минимальных дозировках, не превышающих 0,08%. Оказывает влияние на ход кристаллизации.
- Бор — способствует повышению прочностных параметров чугуна, вызывает образование измельченных карбидов. В малых дозировках способствует графитизации, повышает прочность на прогиб и улучшает параметры ударной вязкости. При повышении дозировки пластичность и вязкость чугуна ухудшаются.
- Титан — при концентрации ниже 0,5% ускоряет графитизацию. Если концентрация выше, то оказывает обратное действие.
- Магний — в дозировке до 0,01% улучшает графитизацию, в большей концентрации увеличивает отбел, считается мощным десульфуратором.
- Молибден — способствует образованию и повышению твердости материала без снижения обрабатываемости, повышает износоустойчивость.
К главным плюсам серого чугуна относят:
- поглощение вибрации гораздо выше, нежели у стальных отливок всех типов;
- устойчивость к сжатию;
- текучесть и пониженная усадка.
К тому же серый чугун на циклических нагрузках не накапливает напряжение. Таким образом, «усталость металла» минимальна. Вместе с плюсами, имеются и свои минусы, которые существенно ограничивают область его практического применения. Главный из них состоит в хрупкости материала.
Графитовые включения формируют в микроструктуре так называемые «надрезы». Технически они представляют собой уязвимости, которые делают материал менее цельным по сравнению с остальными сплавами и, соответственно, менее плотным.
В связи с этим серый чугун не допускается задействовать в тех отраслях, где возникают ударные нагрузки.
К примеру, если сделать из подобного чугуна самурайский меч, то при первом же ударе он разлетится на осколки, как стеклянный.
Серый чугун проявляет повышенные литейные характеристики, а именно:
- малой усадкой;
- текучестью в жидкой форме;
- пониженной температурой кристаллизации;
- отсутствием предрасположенностью к образованию раковин.
Для пользователей отливок из таких материалов принципиальное значение играют такие параметры, как устойчивость к растрескиванию, порообразованию и предел прочности.
Эти критерии прямо зависят от структуры чугунного сплава. Чем ниже будут величина и количество графитовых включений, тем выше эти параметры.
Изделия, подвергающиеся частым ударно-абразивным воздействиям, должны отличаться повышенной прочностью.
Требование герметичности актуально в трубопроводах, гидравлических приводах, а также в компрессорах и насосах, работающих под высоким давлением газов и жидкостей.
При этом уровень герметичности прямо зависит от уровня текучести, присутствия транзитной микропористости и характеристик изменения давления. Серый чугун в процессе сварки предрасположен к растрескиванию.
А отдельные его разновидности не поддаются свариванию вовсе. Параметры твердости по Бринеллю для серого чугуна варьируются от 143 до 262.
Как мы уже упоминали, технико-эксплуатационные особенности сплава прямо зависят от его химического состава и структуры. Исходя из этого все модификации чугуна классифицируются в зависимости от времени охлаждения по завершении затвердевания.
Этот фактор оказывает существенное воздействие на качества металлической основы. Перлитная основа — если отливка после термообработки подвергается быстрому охлаждению, то большую часть перлитной основы будет составлять феррит и карбид, а также тонкие включения графита.
Подобный чугун проявляет повышенную прочность, плотность и твердость.
Ферритно-перлитная — в случае замедленного охлаждения в микроструктуре сплава возрастает концентрация сплава железа с прочими металлами. Этот чугун обладает хорошей пластичностью.
Ферритная — получение основы этого типа достигается в результате стремительного охлаждения. Такой чугун состоит из довольно вязкого феррита и свободного углерода, представленного тонкими графитовыми пластинками.
Высокая доля графита вызывает изменение механических характеристик, снижает параметры сопротивляемости растяжению.
Вместе с тем присутствие графита улучшает устойчивость к износу, повышает обрабатываемость, гасит вибрации и понижает усадку.
Технические параметры серого чугуна, используемого для выпуска отливок, регламентируются действующим ГОСТ 1412-85. В соответствии с этим документом маркировка сплава с пластинчатым графитом состоит из набора символов букв и цифр — например, СЧ20 или СЧ15.
На первом месте стоит СЧ, аббревиатура «серый чугун». Затем идет пара цифр, которые обозначают предел прочности на растяжение, измеряемый в кгс/мм2.
К примеру, материал, имеющий обозначение СЧ35, означает, что перед вами чугунный сплав с включением пластинчатого графита, величина предела прочности на растяжение которого соответствуют 35 кгс/мм2.
В соответствии с действующей классификацией серый чугун маркируется по следующей схеме:
- СЧ10 — сплав ферритного типа;
- СЧ15/СЧ18/СЧ20 — ферритно-перлитный состав;
- СЧ25 и более — перлитный.
Серый чугун получил повсеместное применение при создании изделий, для которых ключевым моментом является повышенная прочность на сжатие. Эта особенность принципиальна при выпуске литых конструкций. В то же время сфера применения такого чугуна ограничивается повышенной хрупкостью этого материала в случае существенных изгибающих усилий.
В прошлом исключительные литейные характеристики материала были востребованы при создании товаров промышленного и бытового назначения. В частности, из серого чугунного сплава изготавливалась бытовая утварь — сковородки, чугунные утюги, кастрюли. Для их производства использовалась техника литья, преимуществом которой был минимум последующей обработки.
Это приводило к заметному снижению себестоимости готового изделия.
В наше время литьё используют для производства высоконагруженных блоков в транспортной технике. К ним относят цилиндры и поршни двигателя внутреннего сгорания. Эти детали не подвергаются высоким изгибающим нагрузкам. Изделия из серого чугуна имеют невысокую себестоимость и повышенный эксплуатационный период.
Можно смело утверждать, что литые станины в сравнении со всеми остальными блоками устройства считаются практически вечными. За счёт повышенной концентрации графитов чугун приобретает устойчивость к окислению.
Этот материал не подвергается ржавчине, поэтому трубы и арматуру из серого чугуна можно задействовать при проведении инженерных коммуникаций любого значения — как локального, так и магистрального.
Неслучайно, в системах водопровода и каналах подачи природного газа повсеместно применяются чугунные фитинги, а также переходники, задвижки и отводы.
Серый чугун с пластинчатым графитом | Агентство Литьё++
Рис. 1: Микроструктура серого чугуна с пластинчатым графитом, увеличение х 500
- Серый чугун с пластинчатым графитом (flake graphite iron for casting) представляет собой железоуглеродистый сплав, легированный кремнием и марганцем, в котором в процессе кристаллизации углерод выделяется в отдельную фазу в виде пластинчатого графита.
- Серый чугун, обладающий хорошими литейными свойствами, высокой циклической вязкостью, относительно высокой усталостной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, низкой усадкой, высоким выходом годного, хорошей износостойкостью, обрабатываемостью, низкой себестоимостью производства, в настоящее время является самым распространенным сплавом для производства отливок.
- Недостатки серого чугуна: низкая пластичность, стойкость при ударном приложении нагрузки, затруднительная свариваемость.
Физико-механические и технологические свойства отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом определяются микроструктурой материала отливок, которая формируется в зависимости от химического состава чугуна и отдельных копонентов шихты; скорости кристаллизации и охлаждения отливок (формы, конструктивных особенностей и толщины стенок отливок; физических свойств материала литейных форм и стержней, их толщины; температуры заливки и т.д.); проведения процессов модифицирования, микролегирования и термической обработки.
Микроструктура серого чугуна слагается из металлической матрицы (основы) и внедренных в нее прямолинейных или искривленных (на подобие лепестков розы) пластинок графита (свободного углерода), который обладает низкой механической прочностью, при этом, чем больше включений графита, крупнее размеры его включений, более прямолинейна их форма, неравномерность распределения включений графита по сечению, тем ниже механические свойства чугуна.
Основные структурные составляющие матрицы:
- Феррит — твердый раствор углерода в α-железе, характеризуется низкой механической прочностью (σВ=25-30 кгс/мм2; σТ=12-30 кгс/мм2; δ=30-50%; ψ=60-85%; твердость 80-100 НВ). Образуется из аустенита при медленном охлаждении сплавов от температур аустенитной области. Температура образования феррита в чугунах — 723°C.
- Цементит — химическое соединение углерода с железом (Fe3C — карбид железа, содержит 6,67% углерода), наиболее твердая и очень хрупкая составляющая структуры чугунов (твердость — 1000 кгс/мм2, удлинение в процессе испытания на растяжение практически не наблюдается), повышает твердость чугуна. Образуется при охлаждении чугунов в соответствии с метастабильной диаграммой состаяния Fe-C (железо-цементит). В зависимости от условий образования различают: первичный цементит — выделяется при затвердевании расплава, вторичный цементит — образуется из аустенита и третичный цементит — возникает вследствие выделения углерода из феррита. При нагреве цементит распадается на аустенит и графит.
- Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. В условиях, близких к равновесным, образуется в результате эвтектоидного распада аустенита при медленном охлаждении: As→Ф+Fe3C. Распад происходит при постоянной температуре 723°C. В перлите находится 12% цементита, при этом, весь углерод (в объеме 0,8%) сосредоточен в цементите. Различают перлит пластинчатый и зернистый. В пластинчатом перлите феррит и цементит имеют форму пластинок с межпластинчатым расстоянием 0,5-1 мкм. В зернистом перлите округлые зерна цементита на фоне зерен феррита. Структура перлита сильно зависит от скорости охлаждения — чем выше скорость охлаждения, тем она мельче. Тонкодисперсные разновидности перлита — сорбит (межпластинчатое расстояние: 0,2-0,4 мкм, твердость: 230-330 HB) и троостит(межпластинчатое расстояние: ~0,1 мкм, твердость: ~40-45 HRC). Механические свойства перлита зависят от расстояния между пластинками — чем оно меньше, тем выше предел прочности и предел текучести. Твердость перлита составляет порядка 300 кгс/мм2.
- Аустенит — твердый раствор углерода и легирующих элементов в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените 2,03%. В чугунах устойчив при температуре выше 723°C. В Fe-C сплавах высоколегированных Cr, Ni или Mn, аустенит может быть устойчивым при комнатной температуре. Аустенит немагнитен, отличается высокой вязкостью и пластичностью, сравнительно низкой прочностью, высокой плотностью, по сравнению с другими структурными составляющими железоуглеродистых сплавов.
- Ледебурит — эвтектическая смесь цементита и аустенита. Содержит 4,3% углерода. Образуется при температуре 1145°C. При температуре ниже эвтектоидной (723°C) аустенит превращается в перлит и, таким образом, при комнатной температуре ледебурит состоит из цементита и перлита.
Различное сочетание структурных составляющих придает серому чугуну широкую гамму разносторонних физико-механических свойств.
Структура и свойства чугуна с пластинчатым графитом в значительной мере определяются процессом графитизации, на который оказывают влияние присутствующие в чугуне элементы.
По степени интенсивности воздействия на процесс графитизации элементы выстраиваются в следующий ряд:
- Si, Al, C, Ti, Ni, Cu, P, Zr | Nb | W, Mn, Cr, V, S, Mg, Ce, Te, B
- Элементы, способствующие графитизации чугуна и образованию феррита, распологаются слева от Nb, а справа от Nb элементы, способствующие образованию карбидов и перлита.
- Влияние химических элементов на свойства серого чугуна:
- C — в наибольшей степени способствует графитизации чугуна, понижает прочность, повышает пластичность, улучшает литейные свойства.
- Si — способствует графитизации, укрупняет включения графита, повышает механические свойства (при содержании >3% понижает пластичность), улучшает литейные свойства.
- Mn — обессеривает и раскисляет чугун; тормозит процесс графитизации; повышает склонность к отбелу, дисперсность перлита, механические свойства (при содержании от 0,7 до 1,3%, а при дальнейшем повышении содержания — снижает), увеличивает усадку.
- S — вредная примесь: образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 985°C, которая размещаясь на границах кристаллов, приводит к снижению механических свойств чугуна, его жидкотекучести, повышению усадки, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).
- P — вредная примесь: повышает жидкотекучесть и хрупкость (для машиностроительных отливок содержание ограничивают 0,2%, в художественном литье, где на первом месте стоит жидкотекучесть, а не прочность, содержание фосфора может достигать 0,8-1,0%).
- Ni — легирующий элемент: выравнивает механические свойства в отливках со стенками различной толщины, повышает твердость, коррозионную стойкость и обрабатываемость резанием.
- Cu — способствует графитизации, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость..
- Cr — тормозит процесс графитизации, измельчает графит, повышает дисперсность перлита, прочность, твердость, понижает пластичность и литейные свойства.
- Ti — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.
- Mg — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.
- Mo — легирующий элемент: замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышает твердость (без ухудшения обрабатываемости), сопротивление износу.
Стандарты
Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».
Маркировка
Чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ (начальные буквы слов «серый чугун»), за которыми следуют две цифры, отображающие предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). К примеру, маркировка СЧ20 означает — серый чугун с пластинчатым графитом с пределом прочности на растяжение не ниже — 20 кг/мм2.
Классификация чугуна с пластинчатым графитом
В зависимости от микроструктуры металлической матрицы серый чугун с пластинчатым графитом подразделяют на:
- Ферритный чугун (рис. 2а)
- Феррито-перлитный чугун (рис. 2б)
- Перлитный чугун (рис. 2в)
Рис. 2: Схемы структур серого чугуна х 300 [8]: а — ферритная, б — феррито-перлитная, в — перлитная
Механические свойства
Механические свойства материала отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1412-85, приведенным в табл. 1.
Таблица 1: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85
| Марка | Марка чугуна по СТ СЭВ 4560-84 | Временное сопротивление при растяжении σВ, МПа, (кгс/мм2), не менее |
| СЧ10 | 31110 | 100 (10) |
| СЧ15 | 31115 | 150 (15) |
| СЧ18 | — | 180 (18) |
| СЧ20 | 31120 | 200 (20) |
| СЧ21 | — | 210 (21) |
| СЧ24 | — | 240 (24) |
| СЧ25 | 31125 | 250 (25) |
| СЧ30 | 31130 | 300 (30) |
| СЧ35 | 31135 | 350 (35) |
Примечание: Допускается превышение минимального значения σВ не более чем на 100 МПа, если в нормативно-технической документации на отливки нет других ограничений. Временное сопротивление при растяжении чугуна марки СЧ10 определяется по требованию потребителя.
Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок.
В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 2.
Таблица 2: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85
| Марка чугуна | Толщина стенки отливки, мм | ||||||
| 4 | 8 | 15 | 30 | 50 | 80 | 150 | |
| Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее | |||||||
| СЧ10 | 140 | 120 | 100 | 80 | 75 | 70 | 65 |
| СЧ15 | 220 | 180 | 150 | 110 | 105 | 90 | 80 |
| СЧ20 | 270 | 220 | 200 | 160 | 140 | 130 | 120 |
| СЧ25 | 310 | 270 | 250 | 210 | 180 | 165 | 150 |
| СЧ30 | — | 330 | 300 | 260 | 220 | 195 | 180 |
| СЧ35 | — | 380 | 350 | 310 | 260 | 225 | 205 |
| Твердость НВ, не более | |||||||
| СЧ10 | 205 | 200 | 190 | 185 | 156 | 149 | 120 |
| СЧ15 | 241 | 224 | 210 | 201 | 163 | 156 | 130 |
| СЧ20 | 255 | 240 | 230 | 216 | 170 | 163 | 143 |
| СЧ25 | 260 | 255 | 245 | 238 | 187 | 170 | 156 |
| СЧ30 | — | 270 | 260 | 250 | 197 | 187 | 163 |
| СЧ35 | — | 290 | 275 | 270 | 229 | 201 | 179 |
Примечания:
- Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в реальных отливках могут отличаться от приведенных в таблице.
- Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в стенке отливки толщиной 15 мм приблизительно соответствуют аналогичным значениям в стандартной заготовке диаметром 30 мм.
Химический состав
Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 3.
Таблица 3: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85
| Марка | Массовая доля элементов, % | ||||
| Основные компоненты | Примеси, не более | ||||
| C | Si | Mn | P | S | |
| СЧ10 | 3,5-3,7 | 2,2-2,6 | 0,5-0,8 | 0,3 | 0,15 |
| СЧ15 | 3,5-3,7 | 2,0-2,4 | 0,5-0,8 | 0,2 | 0,15 |
| СЧ20 | 3,3-3,5 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | 0,2 | 0,15 |
| СЧ25 | 3,2-3,4 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | 0,2 | 0,15 |
| СЧ30 | 3,0-3,2 | 1,3-1,9 | 0,7-1,0 | 0,2 | 0,12 |
| СЧ35 | 2,9-3,0 | 1,2-1,5 | 0,7-1,1 | 0,2 | 0,12 |
Примечание: Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (Cr, Ni, Cu, P и др.)
Физические свойства
Справочные данные о физических свойствах серого чугуна с пластинчатым графитом по ГОСТ 1412-85, в зависимости от марки чугуна, приведены в табл. 4.
Таблица 4: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом
| Наименование параметра | Величина параметра для марки | |||||
| СЧ10 | СЧ15 | СЧ20 | СЧ25 | СЧ30 | СЧ35 | |
| Плотность ρ, кг/м3 | 6,8·103 | 7,0·103 | 7,1·103 | 7,2·103 | 7,3·103 | 7,4·103 |
| Линейная усадка ε, % | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,2 | 1,3 | 1,3 |
| Модуль упругости при растяжении, Е·10-2 МПа | 700-1100 | 700-1100 | 850-1100 | 900-1100 | 1200-1450 | 1300-1450 |
| Удельная теплоемкость при температуре от 20 до 200°С, С, Дж (кг·К) | 460 | 460 | 480 | 500 | 525 | 545 |
| Коэф. линейного расширения при температуре от 20 до 200°С, α 1/°С | 8,0·10-6 | 9,0·10-6 | 9,5·10-6 | 10,0·10-6 | 10,5·10-6 | 11,0·10-6 |
| Теплопроводность при 20°С, λ, Вт(м·К) | 60 | 59 | 54 | 50 | 46 | 42 |
Производители литья из серого чугуна
Литература
- Механические и технологические свойства металлов. Справочник. Бобылев А.В. М., «Металлургия», 1980. 296 с.
- Воздвиженский В.М. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1984. — 432 с., ил
- Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М. Машиностроение, 1988. — 272 с.: ил.
- Энциклопедия неорганических материалов. В двух томах. К.: Высшая школа, 1977.
- ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».
- Колачев Б.Ф., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Металлургия, 1981. 416 с.
- Справочник по чугунному литью./Под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.- 758 с., ил
- Липницкий А.М. Справочная книга рабочего-литейщика. Л.: Лениздат, 1980.- 240 с., ил.
Изготовление деталей из чугуна и стали массой до 12 тонн
Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.
Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.
Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.
Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.
Что такое капролон, сфера применения этого полимера
Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).
Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение.
Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого.
Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.
Чугун серый
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.
Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение
| Марка | σв МПа | НВ | Свойства и применение |
| Сч10 | 275 | 139-274 | Малоответственные отливки с толщиной стенок до 15 мм (корпуса, крышки, кожухи и др.), детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной,- опоки, арматуру, рамки, сковороды, декоративные детали, массивные строительные колонны, фундаментные плиты |
| СЧ15 | 314 | 160-224 | Малоответственные отливки с толщиной стенок 10 — 30 мм (трубы, корпуса клапанов, вентили при давлении — до 20 МПа и др.), корпусные малонагруженные детали, подмоторные плиты, рычаги, шкивы, маховики, емкости для масла и охлаждающей жидкости, корпуса фильтров, фланцы, крышки, звездочки цепных передач |
| СЧ18 | 354 | 167-224 | Ответственные отливки с толщиной стенок 10 — 20 мм (шкивы, зубчатые колеса, станины, суппорты и др.) |
| СЧ20 | 397 | 167-236 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 30 мм (блоки цилиндров, поршни, тормозные барабаны, каретки и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются требования герметичности при давлении до 8 МПа (80 кгс/см2), корпусов, коробок передач, шпиндельных бабок, балансиров, планшайб, гильз, кареток, цилиндров, насосов, золотников, арматуры, компрессоров |
| СЧ25 | 450 | 176-245 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 40 мм (кокильные формы, поршневые кольца и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности |
| СЧ3О | 490 | 177-250 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 60 мм (поршни, гильзы дизелей, рамы, штампы и др.), для изготовления кронштейнов, салазок столов и суппортов, деталей с поверхностной закалкой, цилиндров, корпусов насосов, дизелей и двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, коленчатых и распределительных валов |
| СЧ35 СЧ45 | 540 | 193-264 | Ответственные высоконагруженные отливки с толщиной стенок до 100 мм (малые коленчатые валы, детали паровых двигателей и др.) деталей, для изготовления к которым предъявляются требования герметичности при давлении свыше 8 МПа |
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними.
Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна.
Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.
Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.
Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке.
Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит.
Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.
По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают — серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σв = 274÷637 МПа, твердость — 143÷637 НВ и химический состав.
Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.
Маркировка серых чугунов
“СЧ” – Серый чугун, представляет собой сплав из кремний, железа и углерода. Причем последний находится в составе в виде графита.
При маркировке, согласно ГОСТ 1412-70, буква “С”обозначает серый, “Ч”- чугун. При написании обычно встречается с цифрами, например СЧ 00, СЧ 12-28.
В данном случае первые цифры дают характеристику пределов прочности при растяжении, а вторые предела прочности при изгибе.
При этом СЧ также разделяют на несколько групп, характеризирующихся по своим свойствам и как следствие характеру применения:
- Ферритные и Ферритно-перлитные . К ним относят изделия, имеющие СЧ по растяжению 12-28 единиц, а изгибу 28-40. Применяются для изготовления малозначимых деталей, без больших требований к нагрузке: декоративные колонны, арматура и т.д
- Перлитные . СЧ 21-40 и 40-60. Данные виды чугунов обычно используются при производстве сверхпрочных деталей, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться значительным динамическим нагрузкам, а также давлении. Из них обычно делают: зубчатые колеса, головки поршней, детали для станков и т.д.
- Сталистые . СЧ 24-44 и СЧ 28-48. Делается с добавлением стали и применяется для деталей, испытывающих скользящие нагрузки, например неподвижные станины.
- Модифицированные . СЧ 32-40 и 52-64. Делаются путем добавления в серый чугун специальных добавок, улучшающих те или иные характеристики материала. При правильном использовании его можно получить например такой, который будет меньше трескаться.
- Антифрикционные (АЧС). Делаются для деталей, работа которых связана с трением, например подшипники скольжения. Их также существует несколько разновидностей: АЧС-1 и АЧС-2 используют для работы с закаленными деталями. Друг от друга материал отличается составом.
- АЧС- 3 применяют для остальных случаев.
Например, если встретиться маркировка чугуна – СЧ 12-28, то по ней можно будет сказать, что перед нами серый ферритный чугун с 12 единицами на растяжение и 28 на изгиб.
Чугун высокопрочный с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу.
Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием).
В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.
https://www.youtube.com/watch?v=_mC1j4VmOPw\u0026t=79s
Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости.
Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения.
Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).
Чем отличается стальная катанка от проволоки
ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией.
Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение.
Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 412 Н/мм2 (42 кгс/мм2) и относительное удлинение δ =12%.
Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 602, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σт = 274 Н/мм2 (28 кгс/мм2), твердость-140÷200 НВ.
Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.
Свойства высокопрочного чугуна
Свойства высокопрочных чугунов весьма многообразны, однако отличительной особенностью таких чугунов является сочетание хороших литейных свойств и высоких прочностных характеристик. К свойствам высокопрочного чугуна относятся также: хорошая обработка резанием, высокая пластичность, низкая чувствительность к концентраторам напряжения, устойчивость к циклическим нагрузкам.
Литейные свойства высокопрочного чугуна, в частности ВЧШГ:
- высокая жидкотекучесть,
- малая склонность к образованию горячих трещин,
- малая усадка.
Требования к механическим свойствам высокопрочного чугуна регламентированы стандартом ГОСТ 7293-85 (СТ СЭВ 4558-84).
Чугун ковкий
В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.
Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы.
В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун.
Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига.
Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.
Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение
| Марка | НВ | Свойства и применение |
| КЧ 35-10 КЧ37-12 | 160 | Чугуны ферритного класса используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках(картеров, редукторов, ступиц, крюков, скоб, задних мостов, кронштейнов) |
| КЧ 30-6 КЧ 33-8 | 160 | Для изготовления менее ответственных деталей (хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,гаечных ключей, колодок, кронштейнов) |
| КЧ 45-7 | 203 | Ковкие чугуны перлитного класса марок обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.
|
| КЧ 50-5 | 226 | |
| КЧ 55-4 | 236 | |
| КЧ 60-3 | 264 | |
| КЧ 65-3 | 264 | |
| КЧ 70-2 | 280 | |
| КЧ 80-1,5 | 314 |
По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 32.4 Н/мм2 (33 кгс/мм2) и относительное удлинение δ =8 %.
Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.
Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Серый чугун
Серый чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором содержится 2,5—3,7% углерода, 1,0—2,9% кремния, 0,2—1,1% марганца, до 0,3% фосфора и до 0,12% серы.
Углерод, кремний и марганец улучшают механические и литейные свойства сплава, а фосфор и сера являются вредными примесями.
Фосфор придает чугуну хрупкость, а сера вызывает отбел в тонких частях отливки и понижает жидкотекучесть расплава. Поэтому их содержание в сплаве должно быть минимальным.
Серый чугун широко применяют в машиностроении, так как он дешев, хорошо обрабатывается резцом, обладает высокими литейными и механическими свойствами (см. табл. 1).
Однако он имеет низкую вязкость — хрупкость и потому отлитые из чугуна детали не должны подвергаться ударному воздействию. Хрупкость серого чугуна обусловливается тем, что в нем углерод находится в виде пластиночек графита (рис.
14, а), которые являются надрезами, нарушающими сплошность металлической основы.
По ГОСТ 1412—70 серые чугуны подразделяются на марки: СЧ 12—28, СЧ 15—32, СЧ 18—36, СЧ 21—40, СЧ 24—44, СЧ 28—48, СЧ 32—52, СЧ 36—56, СЧ 40—60 и СЧ 44—64.
В марках «С» означает серый, «Ч» — чугун, две первые цифры — предел прочности при растяжении в кгс/мм2; а две последние цифры — предел прочности при изгибе в тех же единицах. Малопрочный чугун марки СЧ 12—28 идет на отливку фундаментных плит, строительных колонн и других неответственных изделий.
Чугун средней прочности марок СЧ 15—32 и СЧ 18—36 применяют для производства разнообразных отливок деталей станков, сельскохозяйственных машин и др. Особо прочный чугун марок с СЧ 21—40 до СЧ 36—56 используется для производства деталей насосов, компрессоров, турбин и других ответственных деталей машиностроения.
Наиболее ответственные и крупные детали машиностроения и других отраслей народного хозяйства отливаются из наиболее прочного чугуна марок СЧ 40—60 и СЧ 44—64, который был освоен в последние годы.
Плавка серого чугуна ведется главным образом в шахтных печах — вагранках. Современные вагранки делятся на два типа: с копильником — применяемые при крупном литье, когда необходимо скопить большое количество расплава, и без копильника — для получения расплава с более высокой температурой, но в меньших количествах. Производительность вагранок 5—30 т чугуна в час.
Рис. 14. Схемы микроструктур серого чугуна:
а — обыкновенного, б — высокопрочного, 1 — графит пластинчатый, 2 — графит шаровидный, 3 — металлическая основа
Загрузка...
